(57)【要約】【課題】構造が容易で利得最大方向を天頂から低仰角方向にチルトさせたパッチアンテナであって、低姿勢化も実現可能な構成を有するアンテナ装置を得る。【解決手段】誘電体基板１と、前記誘電体基板１の裏面に形成された地導体２と、前記誘電体基板１の表面に形成され、使用周波数での共振長を有する放射導体３と、給電点４から励振された信号を前記放射導体３に伝搬する給電ピン５とを備えたアンテナ装置であって、前記給電ピン５と前記放射導体３との接続点から前記放射導体３の上方に所望の長さ伸長した導体線２１をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の裏面に形成された地導体と、
前記誘電体基板の表面に形成され、使用周波数での共振長を有する放射導体と、
給電点から励振された信号を前記放射導体に伝搬する給電ピンと
を備えたアンテナ装置であって、
前記給電ピンと前記放射導体との接続点から前記放射導体の上方に所望の長さ伸長した導体線をさらに備えた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記導体線を前記放射導体の上方で折り曲げて折り曲げ導体線とした
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
前記放射導体と前記導体線との接続点にインダクタ素子を装荷した
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記誘電体基板を第１の誘電体基板とし、当該第１の誘電体基板の表面側に第２の誘電体基板を積層し、当該第２の誘電体基板に前記導体線に代わるスルーホールを設けた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のアンテナ装置において、
前記第２の誘電体基板の前記第１の誘電体基板との積層面とは反対側の面上に前記スルーホールの端部と導通する所望の面積を持つ導体を設けた
ことを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、衛星通信での移動体基地局側に用いられるアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、衛星通信での移動体基地局側に用いられるアンテナでは、電子的ビーム走査範囲はある程度限定されて、追尾するために機械駆動方式を併用しているものがある。その一例として、仰角方向のある範囲を電子的にビーム走査し、水平面内を機械的に回転駆動するような１次元フェーズドアレーアンテナと機械駆動を組み合わせた方式のアレーアンテナがある。
【０００３】
この方式のアレーアンテナでは、回転駆動手段の上部に１次元フェーズドアレーアンテナを設置することで、天頂に対して左右どちらか一方の仰角面での電子的ビーム走査と機械駆動（水平面内での回転方向に沿って駆動）との組み合わせで２次元的にビームの方向を可変できる。
【０００４】
衛星の見える位置は、天頂（ｚ軸方向）からチルトした、ある仰角方向範囲となるため、天頂方向への放射は必要ない。一方で、２次元配置（平面）アレーアンテナでは、低仰角方向ほど開口面積の見え方が小さくなっていくので、電子的にビーム走査した場合の利得低下は否めない。
【０００５】
また、平面アレーアンテナに使われる素子アンテナとして、パッチアンテナがある。このパッチアンテナは、天頂方向に指向性のある放射パターンを有するため、前記方式のアレーアンテナを構成する素子アンテナに適用した場合、不要である天頂方向への放射が最も大きくなるため効率が悪い。また、低仰角方向へ電子的にビーム走査する場合には、前記の通り開口面積の見え方に起因する利得低下に加えて、素子アンテナ放射パターンによる利得低下が重畳する。
【０００６】
以上より、前記のアンテナ方式に適した素子アンテナの放射パターン形状としては、電子的ビーム走査をする仰角範囲にて利得の高い非対称パターン形状とするのがよいと考える。
【０００７】
そこで、非対称パターン形状を有するパッチアンテナの従来例としては、無給電放射導体をパッチアンテナ本体の鉛直（天頂）方向からオフセットさせて配置するものがある（例えば、非特許文献１参照）。パッチアンテナとしての動作は前述した一般的な場合と同様である。ここでは、誘電体基板に積層配置された誘電体基板上の積層面とは異なる面上に無給電放射導体を設け、その配置位置は放射導体の鉛直方向からオフセットさせている。これにより、天頂方向から無給電放射導体をオフセットさせた方向に放射パターンの指向方向は傾く。但し、低仰角方向へ指向性をシフトさせるには、誘電体基板の１層を追加するだけでは不可能で、ある程度誘電体基板を多層に積層して、誘電体基板ごとに設けられた無給電放射導体の位置を連続的にずらす必要がある。すなわち、指向方向設定には、パッチアンテナの高さ方向を厚くしなくてはならない課題がある。また、複数の無給電放射導体を用いるので、その設計にも構造パラメータが多く手間がかかる。
【０００８】
【非特許文献１】E. Rajo-Iglesias, G. Villaseca-Sanchez, and C. Martin-Pascual, “Input Impedance  Behavior in Offset Stacked Patches, ”IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 1, pp. 28-30, 2002. の第1項、図1。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、例えば、衛星通信、衛星放送用の地上アンテナを取り上げた場合、地上から衛星の見える位置は天頂でなく、通常はそれより低仰角方向に見えるため、アンテナの利得もその仰角方向に最大値がくるようにしたい。パッチアンテナにおいて、放射パターンを天頂から低仰角方向にチルトさせるには前述したように無給電素子をパッチアンテナ上方にオフセットさせて設ける、あるいはパッチアンテナ自体を斜めに傾ける、などが考えられる。
【００１０】
しかし、前者については誘電体基板を多層積層する必要があり、低姿勢化に反する。また、構造パラメータが多いため設計に手間がかかるという課題がある。後者についても低姿勢化が困難であること、アンテナ部とモジュール部とを繋ぐ給電線路構造が複雑となる課題がある。
【００１１】
この発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、構造が容易で利得最大方向を天頂から低仰角方向にチルトさせたパッチアンテナであって、低姿勢化も実現可能な構成を有するアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係るアンテナ装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の裏面に形成された地導体と、前記誘電体基板の表面に形成され、使用周波数での共振長を有する放射導体と、給電点から励振された信号を前記放射導体に伝搬する給電ピンとを備えたアンテナ装置であって、前記給電ピンと前記放射導体との接続点から前記放射導体の上方に所望の長さ伸長した導体線をさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、構造が容易で利得最大方向を天頂から低仰角方向にチルトさせたパッチアンテナであって、低姿勢化も実現可能なアンテナ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図１において、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図１に示されるアンテナ装置は、誘電体基板１と、誘電体基板１の裏面に設けられた地導体２と、誘電体基板１の表面に設けられた放射導体３と、パッチアンテナの給電点４と、給電ピン５とでパッチアンテナを構成している。また、給電ピン５と放射導体３との接続点からパッチ放射部となる放射導体３の上方に所望の長さ伸長した導体線２１がさらに備えられている。
【００１５】
次に動作について説明する。通常のパッチアンテナとしては、給電点４から励振された信号は給電ピン５を介して放射導体３に伝搬される。放射導体３の大きさに対応する周波数帯において、前記信号は、放射導体３上を所望のモードにて分布し、電波が放射される。
【００１６】
ところで、導体線２１は、地導体２、給電点４および給電ピン５と組み合わされてモノポールを構成している。このため、前述のパッチアンテナの放射にモノポールからの放射が重畳されて、本アンテナ装置の放射パターンが形成される。
【００１７】
そこで、次に、得られるＥ面放射パターン形状について図２を用いて説明する。図２において、（ａ）はパッチアンテナのＥ面放射パターン、（ｂ）はモノポールアンテナの放射パターン、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）との合成パターンを示している。ここで着目すべきは、モノポールの位相パターンは天頂に対して左右で逆相となっていることである。このため、図に記号＋で示してあるように、もし、パッチアンテナの位相パターン（＋）が、モノポールのそれの左側と同相（＋）であるとすると、天頂の左側では両者は重畳し、右側では相殺され、合成パターンとして、（ｃ）のように非対称な形状が得られるというものである。
【００１８】
この合成に際しては、パッチアンテナの位相パターンとモノポールのそれの片側とが同相となる必要があり、ここでは、給電点４を両者で共有し、導体線２１の設置位置を給電ピン５の放射導体３への接続点としている。これを微調整する場合は、導体線２１の位置を放射導体３上で種々移動すればよい（移動方向は図１のＡ−Ａ'線上）。
【００１９】
ところで、導体線２１の所望の長さであるが、使用周波数においてモノポールモードとして働かせる必要から電気長で略１／４とする。但し、重畳させるモノポールパターンの強度は、この導体線２１の長さに依存しているので、用途によってその設定長さは変化するものである。
【００２０】
また、製作も容易で、あらかじめ長めにした給電ピン５を、誘電体基板１を貫通し放射導体３上に設けた小さい穴を介して設置する。導体線２１と給電ピン５とを一体化された構造とすることで、シンプルな構造を実現でき、容易に製作できる。なお、放射導体３上に設けた穴ははんだ等で塞いでおく。
【００２１】
図３は、本アンテナ装置の放射特性の一例であり、いずれも電磁界シミュレーションによるＥ面放射パターン（正偏波）を示す。モノポールパターンを重畳することにより、パッチアンテナパターンが非対称となっていることが確認できる。また、（ａ）と（ｂ）とは導体線長が異なる場合で、その長さ調整により非対称の度合いを変更できることも確認できる。（ａ）では、ビーム指向方向の変化はないが、９０度方向の放射レベルが低減されている。この放射パターンを得る利点は、アレーアンテナの素子アンテナとして適用した場合に隣接素子間の結合量を低減できることにある。すなわち、アクティブインピーダンスの改善につながる利点となる。一方、（ｂ）では、ビーム指向方向が天頂方向（０）から低仰角方向（−９０方向）にシフトしており、指向方向の可変も実現できることを示している。このため、直線偏波励振のアレーアンテナとして低仰角方向への電子的ビーム走査における利得低下を防ぐことができるといえる。なお、Ｅ面における交差偏波への影響はない。
【００２２】
また、導体線２１の線径は任意に設定可能である。さらに、前述の導体線２１を設けたことによるパッチアンテナＨ面放射パターンへの影響であるが、正偏波に関しては影響がない。一方、交差偏波は導体線２１を含むモノポールが共振長に近づくほど大きくなるため、前述のＥ面放射パターンの正偏波との兼ね合いとなる。
【００２３】
図４は、導体線２１を折り曲げた構造のパッチアンテナ断面図を示す。図において、３１は折り曲げ導体線である。パッチアンテナとしての動作は前述の通りであるので、ここでは省略する。折り曲げ導体線３１を設けることで、非対称パターン形状が容易に得られることは前述と同様である。ここで述べたいのは、折り曲げ導体線３１により、低姿勢化が図れることにある。折り曲げ角度に関しての規定はなく、折り曲げ角度によって得られる放射パターン形状は異なる。
【００２４】
図５は、インダクタ装荷導体線とした場合のアンテナ装置の断面図である。図において、４１はインダクタ素子装荷導体線である。パッチアンテナとしての動作は前述と同様であり、ここでも省略する。導体線の途中、放射導体３と導体線２１との接続点にインダクタ素子が装荷されているので、導体線の長さを短縮することができ、更なる低姿勢化を実現できる。
【００２５】
図６は、導体線を誘電体基板上に構成する場合のアンテナ構成を示している。図において、説明無きものは前述と同様のものとする。５１は誘電体基板、５２はスルーホール、５３はトップロード用導体である。アンテナとしての動作は前述のものと同様であるため、ここでは省略する。アンテナ構造としては、パッチアンテナが構成されている誘電体基板１に誘電体基板５１が積層されている。誘電体基板５１には導体線２１に代わるスルーホール５２が設けられ、それは放射導体３と前述の導体線の配置位置にて導通している。このため、スルーホール５２が前述の導体線と同様の働きをする。ここで、誘電体基板の波長短縮効果により、スルーホールの物理長は導体線のそれより短く設定でき、更なる低姿勢化が実現できる。
【００２６】
図６には、スルーホール５２の端部に導体が接続されているが、これはトップロード用の所望の面積を持つ導体５３であり、これを装荷することで、スルーホール長をさらに短くできる。つまり、誘電体基板５１の厚さを薄くすることが可能で、低姿勢化が実現できる。このトップロード用導体の形状は円形、方形など任意に設定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図で、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】図１の構成において得られるＥ面放射パターン形状の説明図で、（ａ）はパッチアンテナのＥ面放射パターン、（ｂ）はモノポールアンテナの放射パターン、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）との合成パターンを示す図である。
【図３】図１に示す構成を備えるアンテナ装置の放射特性の一例であり、（ａ）、（ｂ）はいずれも電磁界シミュレーションによるＥ面放射パターン（正偏波）を示す図である。
【図４】図１の導体線２１を折り曲げた構造のパッチアンテナの断面図である。
【図５】インダクタ装荷導体線とした場合のアンテナ装置の断面図である。
【図６】導体線を誘電体基板上に構成する場合のアンテナ装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  誘電体基板、２  地導体、３  放射導体、４  給電点、５  給電ピン、２１  導体線、３１  折り曲げ導体線、４１  インダクタ素子装荷導体線、５１  誘電体基板、５２  スルーホール、５３  トップロード用導体。
【図１】
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【図２】
2007324721.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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